本帖最后由 请叫我徐小枣 于 2019-1-22 15:03 编辑
湛江海湾大桥分布式智能监控系统简介
中铁大桥勘测设计院东南桥梁诊治研究中心朱利明、庄勇、岳青
摘要:依托湛江海湾大桥,介绍了分布式智能监控系统的组成及其关键技术，主要监测内容、方法、软件及硬件,并就桥梁智能监控的现状、
存在的问题及发展方向做了简介
关键词:桥梁、智能监控系统;综合监测;预警;传感器、软件
1概述
1.1目前桥梁智能化监控的现状
智能桥梁系统(IntelligentBridgeSystem),它是以桥梁结构为平台,通过结构监测系统、环境监测系统、交通监控系统、设备监控系统、综合报警系统、信息网络及分析处理系统及它们之间的最优化组合,向管理者提供一套对桥梁结构的长期的实时使用状态综合监控,以期提高大桥的整体管理技术水平,确保桥梁安全运营,预诊断桥梁病害,延长桥梁使用寿命。
另外,通过对监控系统采集数据的综合分析,可以更为准确地把握桥梁在各种荷载下真实的受力及变形状态,对相关结构的设计及科研具有极高的技术价值。
自二十世纪50年代以来,进行桥梁智能化监测的重要性就逐渐被认识,但受检测、监测手段比较落后的限制,在应用上一直未得到推广和重视。近年来随着大跨径桥梁结构的轻柔化、形式与功能的复杂化,这项技术成为国内外学术界、工程界的研究热点。许多国家包括我国都在一些已建和在建的大跨桥梁上进行了有益的尝试,部分桥梁的监控取得了一定的效果,象香港青马大桥、江阴大桥、南京长江二桥等,但根据现有资料介绍,有些桥梁主要监控成功的均是辅助监控系统,诸如,环境监控系统、交通监控系统及部分GPS系统,对结构安全至关重要的结构监测系统成功实现的例子国鲜有报道。某些桥梁成功实现了部分构件(比如主缆、吊杆、斜拉索)的内力变化监测,但对于其海量数据的处理分析,则显得力不从心,而且部分数据的失真,也使得管理者对于整体监控数据产生怀疑;另外,对数据管理、分析及远程监控、自动报警等工作,在这些桥梁上远远没有达到智能化程度。
1.2当前桥梁监测系统存在的主要技术问题
当前已经安装运行和正在开发的桥梁监测系统存在的主要技术问题:
(1)硬件系统庞大,因此造成系统出现故障的几率增加,可靠性降低,而且不便于维护和操作;
(2)传感器信号传输信噪比低,每一个传感器的信号,通过信号传输网络长距离传送,传输到数据采集处理服务器,而后进行数据处理、分析、存档。数据传输过程中的噪声降低了传感器的信噪比,从而降低了测量数据的可信度;
(3)数据量大,虽然数据采集系统对来自各个传感器的响应信号进行连续的实时数据采集,但由于所采集的数据量过于庞大,如何有效地处理、分析和管理这些数据是当前结构健康监测系统亟需解决的问题。
(4)因系统设计人员对桥梁结构理解不深,对所测数据的力学相关性分析不足,不利于对桥梁进行预警。
(5)部分传感器使用寿命短,漂移值不稳定。
(6)预警设计域值确定工作量极大,各类参数区分识别较困难。综合分析可知,数据采集过程中的许多因素均会影响数据的可靠性,能否对所采集数据进行实时预处理决定了系统存在的必要性,而能否深刻理解桥梁结构、掌握各传感器采集信号的关连性、正确设置预警值则决定了系统的成败。
1.3桥梁智能化监控的发展方向
基于以上认识,桥梁智能化监控系统应积极鼓励桥梁设计专家、结构分析专家、传感器专家及其网络和计算机软硬件工程师参与相关工作,成功的监控系统应该是上述各方面专家共同智慧的结晶。认识到以桥梁设计专家、结构分析专家为龙头,以传感器专家及其网络和计算机软硬件工程师为坚强后盾的重要性,可以使我们真正实现以最少的、最精良的传感器及其采集处理系统掌握桥梁的现实工作状态。减少硬件系统意味着系统出现故障的几率减少,可靠性增加,而且便于维护和操作;减少硬件系统同时意味着减少所采集的数据量,使各类参数区分识别变得容易。
在智能化采集传感器的研究方面,数字化的振弦式应力计、光纤传感器(加速度及应力)、利用磁通原理制成的EM传感器已经逐渐替代原有的应变片、加速度计和误差较大的索力测量力锤系统,加上GPS系统的日益成熟,利用GPS和倾斜仪组成结构变形监测也成为现实和主要方向。
在工作站方面,固定在桥梁上的高度集成的、能自动预处理采集数据的工作站将逐渐取代移动式工作站,以实现实时连续监测。
光缆使长距离传输的信号损失达到最小,互联网使我们能够在世界任何地方遥控桥梁管理站内的主服务器,它们也是桥梁智能化监控必不可少的工具。
要认识到桥梁的监测内容并不需要而且目前也不可能完全实现智能化,完全实现实时监测,应该采用实时监测和定期监测相结合的方法,象对于结构腐蚀的监测、结构冲刷的监测、船撞力的监测等等,既然在大学的实验室尚且不能实现的内容,在现场实验室(被监测桥梁实际处于大自然的巨大实验室中)当然亦很难实现。
2湛江海湾大桥简介
湛江海湾大桥位于广东省西南湛江市,跨越雷州半岛麻斜海峡,连接湛江市赤坎与玻头两区。桥址处地震强度大,风速高,海床淤泥层较厚,海水腐蚀性较强,雷暴多,环境温度及湿度较高。虽然在设计中已充分考虑让桥梁结构满足上述条件的要求,但是作为国家的生命线工程,桥梁结构建成后,在上述恶劣的环境下,其运营安全性如何将成为更重要的问题。
因此,需要对大桥在施工及运营期间的健康状况进行全过程实时监测。
结构概况如下:主桥全长840米,跨度组成为60+120+480+120+60米。(见图2-1)
主桥桥面全宽为28.5m,如图2-2所示。为双塔双索面流线型混合梁。边跨60米为流线型预应力混凝土箱梁,在辅助墩处与钢箱梁相接,主跨及其余边跨皆为流线型钢箱梁,钢箱梁与混凝土箱梁外形保持一致。斜拉索采用空间索面扇形布置,两索面在桥面的横向间距为27.8米。斜拉索在钢梁段索距为16m,在边跨混凝土梁段索距为7.5m,主塔中心线斜拉索竖向索距2米。斜拉索采用平行钢绞线。
主塔为钢筋混凝土结构,塔高自承台以上155.1米。桥面以上塔高113.8米,主塔的上部两塔柱微合,中间以弧形板连接,下横梁以下两塔柱内收与上塔柱呼应。到斜拉索的实际应力值,若超限时及时预警,以保证全桥的安全。因此对斜拉索索力在各种环境荷载情况下的变化监测是本健康监测系统的重点内容。
(3)主梁斜拉桥主梁分预应力混凝土梁及钢梁两部分。主要监测截面的变形、应力、动力特性及温度效应。监测截面主要为:主梁塔根支点截面、主跨跨中截面、辅助跨跨中截面及结合面的应力幅值。同时,主梁的位移及动力特性还直接影响到桥面线型和行车舒适度,因此必须进行监测。
(4)桥塔结构监测:斜拉桥具有跨越能力大和结构轻盈等特点,但也存在刚度较小及稳定性较差的缺点。主塔是斜拉桥的主要受力构件,它既承受纵桥向的荷载,又承受横向风荷载及温度荷载,桥塔的受力及变形状况是斜拉桥结构的重要健康控制指标。主要监测主塔各控制截面的变形、应力、动力特性及温度效应。在塔根、下塔柱与下横梁交界处、下横梁与中塔柱交界处、中塔柱与锚固区实体段交界处这四个可能出现拉应力及较大压应力的部位进行实时应变监测,同时对两座主塔的倾角,位移及动力特性进行监测,此项指标的监测还可以间接反映斜拉桥结构整体的工作状态。
3.2监测的主要阶段为得到结构最初状态的各项参数,监控应从施工初期进行。
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